Passagiers in Londen Heathrow Airport kreeg onlangs goed nieuws toen werd aangekondigd dat ze – dankzij de nieuwe CT-scanners (computertomografie) van de luchthaven – binnenkort zullen kunnen stoppen met het scheiden van de vloeistoffen en gels in hun handbagage terwijl ze door de beveiliging gaan. scanners produceren in realtime driedimensionale röntgenfoto’s met een hoge resolutie, waardoor explosieven gemakkelijker snel kunnen worden opgespoord zonder dat daarvoor een apart screeningproces nodig is.

Deze ontwikkeling werd breed uitgemeten in de media en aangekondigd als een zegen voor zowel reizigers als beveiligingspersoneel. Wat echter niet zo wijdverspreid werd gemeld, is dat gestroomlijnde beeldvorming van bagage en containers gedeeltelijk is bereikt door verbeteringen aan de versnellers die de elektronenstralen voor r de scanners. Deze verbeteringen hebben scanapparatuur compacter gemaakt, terwijl ook de kwaliteit van de beeldbundel is verbeterd – en ze waren gebaseerd op kennis die, direct en indirect, is verkregen van R & D naar deeltjesversnellers die worden gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek.

Real-time beveiligingsonderzoek

Bij CT-scanning – nog steeds de meest gebruikte beeldvormingstechniek voor bagage – een bundel deeltjes (traditioneel röntgenstralen , maar het kunnen ook neutronen of andere deeltjes zijn) wordt door het object gestuurd. Door de verzwakte straal te meten en dit proces vervolgens stapsgewijs te herhalen over een bereik van 180 of 360 ˚, produceert het beeldvormingssysteem een 2D-schaduwgrafiek van het specimen, waarbij details van de interne structuur (afmetingen, vorm, interne defecten, dichtheid en spoedig). Deze doorsnedebeelden worden gereconstrueerd met behulp van projecties vanuit verschillende richtingen en gevisualiseerd met behulp van 3D-grafische weergavesoftware. Het 3D-beeld wordt vervolgens op verschillende manieren gemanipuleerd en in plakjes gesneden om een grondig begrip van het object te bieden.

Hoewel er veel reconstructie-algoritmen bestaan, vallen de meeste in een van de twee categorieën: gefilterde terugprojectie (FBP) en iteratieve reconstructie (IR). Beide procedures geven onnauwkeurige resultaten en er is een afweging tussen nauwkeurigheid en benodigde rekentijd. FBP vereist minder rekenkracht maar is minder nauwkeurig, terwijl IR over het algemeen minder artefacten (fouten in de reconstructie) produceert tegen hogere rekenkosten. In beide gevallen betekent het vereiste rekenvermogen dat de meeste tomografische scanners statische beelden opnemen en geen bewegende beelden. Ondertussen zorgen het grote formaat en de aanzienlijke kosten van de versnellers die worden gebruikt om de deeltjesbundels te creëren ervoor dat, hoewel CT routinematig wordt gebruikt om ruimbagage te scannen, het bredere gebruik ervan bij veiligheidscontroles beperkt is.

Sinds kort echter reëel -tijdtomografische (RTT) scanners zijn ontwikkeld die deze obstakels aanzienlijk verminderen. De eerste modellen waren relatief traag, omdat ze op een portaal waren gemonteerd en de scanner rond de tas werd bewogen, meestal met 12 tot 15 weergaven. De nieuwe generatie RTT-systemen hebben echter geen bewegende delen en zijn aanzienlijk sneller.

De fabrikant van Heathrow’s £ 50m CT-scanners is niet bekendgemaakt, maar een van de meest geavanceerde systemen is gemaakt door een in de VS gevestigd bedrijf, Rapiscan, en werd ontwikkeld met ondersteuning en training van wetenschappers van het VK. Daresbury Laboratory (beheerd door de Science and Technology Facilities Council). Het Rapiscan-bagagescansysteem maakt gebruik van meerdere röntgenbronnen. Een stationaire reeks micro-röntgenzenders legt tienduizenden weergaven van een tas vast, waardoor afbeeldingen worden gegenereerd met een aanzienlijk betere resolutie in alle vlakken dan standaard CT-beeldvorming. Ook is een zeer snel reconstructie-algoritme ontwikkeld om het screeningproces te versnellen, waardoor het mogelijk wordt om 1500 tot 1800 zakken per uur te controleren. Dit is enorm belangrijk voor de transportsector. Veiligheidscontroles op luchthavens en dokken vormen een belangrijk knelpunt in internationale reizen en handel, en onbekende objecten kunnen lange vertragingen veroorzaken, zelfs als ze onschadelijk blijken te zijn.

Kwaliteit balanceren met dosering

De fabrikanten van deeltjesversnellers die worden gebruikt in apparatuur voor beveiligingsonderzoeken moeten rekening houden met de stralingsdosis die wordt gegeven aan de koffers, containers enzovoort die worden afgebeeld. Dit is natuurlijk niet het geval bij medische beeldvorming, waar de dosis voor de patiënt een essentiële overweging is. Op dit gebied wordt CT-scanning veel gebruikt vanwege de hoge beeldkwaliteit, maar recent onderzoek naar de schadelijke effecten van hogere stralingsdoses heeft de aandacht gevestigd op een alternatieve techniek die bekend staat als digitale tomosynthese.

Digitale tomosynthese werkt door het verplaatsen van de röntgenbron rond de patiënt en het verkrijgen van beelden, zoals bij computertomografie. In plaats van een volledige rotatie van 360 ˚ is de hoek echter veel kleiner. Hierdoor wordt de dosis verlaagd, maar door de kleinere hoek is er minder informatie beschikbaar voor de reconstructie, wat leidt tot een lagere beeldkwaliteit. Het verplaatsen van de bron creëert ook bewegingsgerelateerde artefacten in de afbeeldingen.

Een voortdurende R & D-inspanning door de accelerator science group van de University of Liverpool / Cockcroft Institute (die ik leid) en een in het VK gevestigd bedrijf, Adaptix, streeft ernaar een ultracompact digitaal tomosynthesesysteem met hoge resolutie te ontwerpen dat verbeterde medische beeldvormingsapplicaties biedt met minder impact op de patiënt. De nieuwe ontwerpen omvatten een systeem met meerdere röntgenbronnen op verschillende posities en hoeken die de ene bewegende bron vervangen. Dit minimaliseert door beweging veroorzaakte artefacten, hoewel het ook nieuwe uitdagingen creëert die we nog onderzoeken. De hoop is dat het apparaat een tussenstap wordt tussen standaard, laaggedoseerde vlakke röntgenfoto’s en duurdere CT-scanners, waardoor artsen de mogelijkheid krijgen om een tool te gebruiken die 3D-beeldvorming combineert met een lagere stralingsdosis.

Kanker sneller verslaan

Een derde voorbeeld van technologieoverdracht in de versnellerwetenschap heeft betrekking op de behandeling van kanker. Protonen- en ionenbundeltherapieën zijn zeer effectief bij de behandeling van bepaalde typen van de ziekte, en ze zijn een direct gevolg van R & D in ionenversnellers voor fundamentele wetenschappelijke toepassingen. Tot voor kort was er in het VK slechts één klinische faciliteit die protonenbundels gebruikte voor de behandeling van kanker: het Clatterbridge Cancer Center aan de Wirral, waar al meer dan 25 jaar 60 MeV-protonen worden gebruikt om oculaire melanomen te behandelen. Het eerste hoogenergetische kankercentrum met protonenbundels in het VK opende in 2018 zijn deuren in het Christie-ziekenhuis in Manchester, en er worden er momenteel meer gebouwd.

In tegenstelling tot de röntgenstralen die in CT-scanning en conventionele radiotherapieën, protonen- en ionenbundels die worden gebruikt bij kankerbehandelingen, gaan niet helemaal door het lichaam. In plaats daarvan stoppen ze scherp op een diepte die wordt bepaald door hun energie. Door de energie en richting van de bundel te moduleren, kunnen clinici een homogene dosis straling afgeven over een 3D-tumorvolume terwijl gezond omringend weefsel wordt gespaard. Om de ionenbundeltherapie verder te optimaliseren, heeft een internationale R & D-inspanning zich gericht op de ontwikkeling van nieuwe beeldvormingstechnieken voor bundels en patiënten, studies naar verbeterde biologische en fysieke simulatiemodellen met behulp van Monte Carlo codes en onderzoek naar het ontwerp en de optimalisatie van faciliteiten om een optimale behandeling van patiënten samen met maximale efficiëntie te garanderen. Dit zijn allemaal onderzoeken die voortbouwen op onderzoek dat oorspronkelijk gericht was op versnellers voor fundamentele wetenschappelijke toepassingen en laten zien hoe gezondheidstoepassingen kunnen profiteren van meer algemene R & D.

Versnellers die hoge energie leveren terwijl ze een kleine fysieke “voetafdruk” behouden, zouden onderzoek en toepassingen die momenteel alleen mogelijk zijn in grootschalige faciliteiten, breder kunnen gebruiken.

Toekomstige voordelen

Dit zijn slechts enkele van de manieren waarop R & D op deeltjesversnellers heeft geleid tot grotere voordelen.Andere vorderingen zijn onder meer betere machine-learningtechnieken, robotica, nieuwe materialen en vorderingen op het gebied van cryogenics, gegevensverwerking en -analyse – en natuurlijk het World Wide Web, dat is ontwikkeld voor deeltjesfysica-experimenten op CERN. Deze toepassingen hebben onze wereld veranderd en ik geloof dat toekomstige spin-outtechnologieën net zo veel impact zullen hebben.

Een reden voor mijn optimisme is dat lopend accelerator-wetenschappelijk onderzoek technologische innovaties op een aantal gebieden belooft . De High Luminosity-upgrade van de Large Hadron Collider (HL-LHC) zorgt er bijvoorbeeld voor dat de wereld De deeltjesversneller met de hoogste energie is een nog krachtiger hulpmiddel voor ontdekkingen.

Helderheid, oorspronkelijk gedefinieerd om de helderheid van een ster te karakteriseren, bepaalt hoeveel botsingen er plaatsvinden in een deeltjesversneller per tijdseenheid.Momenteel steken de stralen in de LHC net over om de kans te creëren dat deeltjes botsen; Om de kans op een smash te maximaliseren, hebben Cockcroft-wetenschappers bijgedragen aan experimenten met een methode om korte bundels protonen van enkele centimeters lang te vangen en ze zijwaarts te gooien om een andere reeks protonen frontaal te raken. Deze “krabholten” hebben het potentieel om de helderheid van de LHC met een factor 10 te verhogen; dit zal de ontdekking zodanig versnellen dat 10 maanden huidig werk in slechts één keer gedaan zou kunnen worden.

Deze ontwikkelingen zullen ook nieuwe instrumenten voor straaldiagnostiek vereisen om de krachtigere bundels volledig te karakteriseren, aangezien bestaande technologieën gewoon niet meer zullen werken. Mijn groep heeft een niet-invasieve gasjet-gebaseerde monitor ontwikkeld in nauwe samenwerking met experts van CERN en GSI in Duitsland voor de LHC-upgrade – een technologie die ook veelbelovend is voor andere hoogenergetische en hoogintensieve versnellers.

Andere onderzoeksgebieden zijn erop gericht versnellers compacter te maken, waardoor hun werking wordt vereenvoudigd en Internationale samenwerkingen zoals EuPRAXIA en AWAKE onderzoeken verschillende mechanismen, waaronder laser- en deeltjesbundel-aangedreven plasmaversnelling. In deze schema’s wordt een plasma gemoduleerd door een zogenaamde ‘aandrijfbundel’ die extreem hoge elektrische veldgradiënten in het plasma. Door een elektronenbundel te injecteren in gebieden met een zeer hoog elektrisch veld, is aangetoond dat elektronen kunnen worden versneld tot hoge energieën over afstanden die 1000 keer korter zijn dan mogelijk is in conventionele RF-versnellers. Dit zijn zeer opwindende ontwikkelingen, aangezien versnellers die hoge energie leveren terwijl ze een kleine fysieke “voetafdruk” behouden, onderzoek en toepassingen die momenteel alleen mogelijk zijn in grootschalige faciliteiten, breder kunnen gebruiken.

Verder in de toekomst vereist een nog hogere energie-collider (zoals de Future Circular Collider die door onderzoekers over de hele wereld wordt bestudeerd) vooruitgang op verschillende gebieden, waaronder magneten, supergeleidende materialen en kabels, evenals detectoren en diagnostiek – allemaal aanjagers van innovatie die aantonen grote belofte voor toepassing in andere, vaak onverwachte, gebieden. R & D in deeltjesversnellers stimuleert al meer dan 100 jaar innovatie. Dit heeft geresulteerd in toepassingen met enorme voordelen voor de samenleving. Een nog veelbelovende toekomst ligt in het verschiet.

• Geniet van de rest van de Physics World Focus on Instruments 2019 & Vacuum in ons digitale tijdschrift of via de Physics Wereld-app voor elke iOS- of Android-smartphone of -tablet.